Глава 2 В НАЧАЛЕ БЫЛА РНК

Глава 2

В НАЧАЛЕ БЫЛА РНК

Цель данной главы — рассказать об основных открытиях и идеях молекулярной генетики, на наших глазах превративших эту область биологии в самостоятельную научную дисциплину. В отличие от многих других явлений окружающего нас мира, описанных палеонтологами, антропологами и натуралистами, объекты современной молекулярной и клеточной биологии невидимы. Их приходится упорно «вычесывать» из микроскопической среды замысловатыми экспериментами, используя методы биохимии и молекулярной биологии. От этого задача «пересказа истории исследований» для широкого круга читателей представляется устрашающе сложной. Для ее решения мы используем большое количество рисунков и схем. Их в нашей книге больше, чем в других популярных изданиях.

Большая часть наших знаний в области молекулярной генетики получена за последние 45 лет. Хронология наиболее важных достижений и открытий этого времени приведена в табл. 2.1.

Мы должны предупредить, что будем говорить об очень сложных процессах обмена информацией в живых клетках, протекающих в пространстве, измеряемом микронами (микрон — одна миллионная метра). Сами клетки можно увидеть в обычном световом микроскопе (увеличение примерно от 100 до 600). Если всю ДНК, содержащуюся в 46 хромосомах человека, сложить конец к концу, получится нить длиной несколько метров. В этой длинной нити ДНК содержится огромное количество генетической информации, и, несмотря на это, она сложена и умещена в крошечном пространстве клеточного ядра диаметром всего в несколько микрон. Мы не будем останавливаться подробно на сложных правилах, по которым клетка работает с такими гигантскими полимерами (т. е. хромосомами) и копирует (реплицирует) их. Достаточно только сказать, что процесс репликации хромосом и деления клетки — митоз — протекает за 5—20 ч. в зависимости от типа клеток. (В результате митоза образуются две дочерние клетки, являющиеся точными копиями родительской.)

Важнейшие открытия и достижения молекулярной генетики

• 1952г. Показано, что материалом наследственности у бактериофагов является ДНК, а не белок (А. Херши и М. Чейз).

• 1953г. Открыта структура (двойная спираль) ДНК (Дж. Уотсон и Ф. Крик). П. Медавар с коллегами выявили факт приобретенной иммунологической толерантности у новорожденных мышей

• 1957-59гг. Сформулирована клонально-селекционная теория приобретенного иммунитета, предсказывающая «дарвиновский» отбор антигенами клеток, продуцирующих специфические антитела. (М. Бернет, Д. Талмейдж, Н. Ерне)

• 1957-59 гг. Доказан предсказанный Уотсоном и Криком механизм репликации двойной спирали ДНК и обнаружен фермент ДНК-полимераза (ДНК -> ДНК копирование; М. Мезельсон, Ф. Сталь, А. Корнберг)

• 1959г. Предсказано существование обратной транскриптазы (РНК -> ДНК копирование) (Г. Темин)

• 1961 г. Обнаружена информационная РНК. Это молекула-посредник между геном и белком. Установлен факт копирования ДНК -> РНК с помощью фермента РНК-полимеразы. (С. Бреннер, Ф. Жакоб, М. Мезельсон, Б. Ход, С. Спигельман)

• 1961-66 гг. Расшифрован генетический код. При синтезе последовательности аминокислот, или белка, последовательность оснований информационной РНК считывается по три (ко-дон) (М. Ниренберг, Г. Г. Корана, Ф. Крик, С. Бреннер)

• 1965г. Предложена модель генов антител, предсказывающая V —> С-перестройку (В. Дрейер, Дж. Беннет)

• 1970г. Предложена двусигнальная модель индукции иммунного ответа, усовершенствовавшая представления о различении своего и не-своего (П. Бречер, М. Кон)

• 1970г. Обнаружена обратная транскриптаза опухолевых РНК-вирусов (ретровирусов), т. е. копирование РНК->ДНК (Г.Темин, Д. Балтимор)

• 1968-74 гг. Предложено рациональное объяснение соматических мутаций генов антител. Установлена «зависимость Ву-Кэбота» для V-областей антител (Т. By, Е. Кэбот). Предсказано существование определяемого антигеном соматического гипермугирования вариабельных генов антител (А. Каннингам).

• 1974-77 гг. Установлена уникальная организация генов антител и доказана V -> С-модель Дрейе-ра-Беннета. Опубликованы первые данные по последовательностям ДНК, подтверждающие, что вариабельные гены антител подвергаются соматическому мутированию В. Тонегава)

• 1977гг. Открыты интроны, или некодирующие встроенные последовательности, в генах эука-риот (Р. Роберте, П. Шарп)

• 1979г. Сформулирована теория соматического отбора, предсказывающая движение наследственной информации от сомы к зародышевой линии для вариабельных генов антител в иммунной системе (Э. Стил)

• 1981 г. Широко признаны доказательства того, что определяемое антигеном соматическое гипермутирование генов антител в иммунной системе действительно происходит.

• 1982г. Широко признаны доказательства существования не-вирусной «общей» обратной транскрипции (РНК -» ДНК)

• 1982-83гг. Открыты рибозимы, или ферменты, основанные на РНК (Т. Кеч, С. Альтман)

• 1985г. Предложен метод ПЦР (К. Маллис)

• 1987г. Предложена модель обратной транскрипции для объяснения определяемого антигеном соматического гипермутирования вариабельных генов антител (Э. Стил, Дж. Поллард)

• 1987г. Предложены общая теория эволюции иммунной системы, «концепция протектона» (Р. Лангман,. М. Кон)

• 1992г. Опубликованы данные, согласующиеся с моделью соматического гипермутирования, основанной на обратной транскрипции. Накапливаются сведения, подтверждающие теорию соматического отбора (Г. Ротенфлу, Р. Бландэн, Э. Стил)

• 1996г. Обнаружений рекомбинационный след в V-генах зародышевой линии, что подтверждает схему интеграции, предсказанную теорией соматического отбора (Г. Вейлер, Р. Бландэн, Г. Ротенфлу, П. Зилстра, Э. Стил).

Таким образом, «генетический чертеж», определяющий большое разнообразие живых форм, обусловлен сложной живой информационной системой клетки. Эта система аналогична компьютерным кодам, хранящимся в маленьких полупроводниковых микросхемах, из которых состоит часть центрального обрабатывающего блока компьютера; Законы генетического кода и его перевода в биологические продукты живого организма открывались учеными параллельно с развитием компьютерных технологий. Однако природа создала удивительно совершенные системы хранения и поиска информации задолго до того, как люди придумали силиконовые компьютерные микросхемы. Силиконовые микросхемы для массового производства только лишь сейчас достигли размеров в 1 микрон. Всем известно, что новые поколения компьютеров и компьютерных программ появляются примерно каждые пять лет. Подобные перемены системы понятий и взглядов происходят и в современной молекулярной и клеточной биологии. Благодаря им мы перешли на новый уровень знаний генетических функций, которые рассматриваются в этой главе.